可以點亮的新型多彩電燈

朱行美 彭金芝 楊承威 楊艷飛 楊紅元 雷遠(yuǎn)清

摘要：本文主要介紹和驗證一款可以點亮的新型多彩電燈。在節(jié)能環(huán)保和新能源大力推廣的當(dāng)下，將傳統(tǒng)的蠟燭，用在新型多彩電燈的設(shè)計里面。利用蠟燭燃燒產(chǎn)生的光能通過光電裝置轉(zhuǎn)化為電能，從而點亮多彩電燈。這種新型的使用方式不僅僅是一種裝飾燈，還可以解決人們在戶外缺乏電源條件時的一種新型照明方法，也給燈具產(chǎn)品重新注入活力，贏得人們的歡迎。在驗證一款可以點亮的新型多彩電燈時，我們需要分析蠟燭的主要成分、燃燒條件，并嘗試改變成分和條件，制備出一種不同于普通蠟燭的新型蠟燭，使這根蠟燭在燃燒的時候可以發(fā)出更加強(qiáng)烈的光照，燃燒時間更加持久。也需要實驗去驗證、分析光電裝置的充電效率，研究光電設(shè)備位置、角度等，從而使蠟燭在燃燒時產(chǎn)生更多的發(fā)電量。本文將從蠟燭的研究和改進(jìn)、光電充電電路效率提升和研究、多彩電燈亮度研究和顏色美觀合理三個方面進(jìn)行研究分析和論證。

關(guān)鍵詞：光能發(fā)電;充電;亮度調(diào)節(jié);多彩電燈

1.緒論

1.1 本論文的研究背景和研究意義

利用蠟燭燃燒產(chǎn)生的光能通過光電裝置轉(zhuǎn)化為電能，從而點亮多彩電燈。這種用途不僅僅是新型的一種裝飾燈，還可以解決人們在戶外缺乏電源條件時的一種新型照明方法，也給燈具產(chǎn)品重新注入活力，贏得人們的歡迎。

通過蠟燭燃燒來點亮多彩電燈的方法在提高蠟燭功能的使用和使燈泡發(fā)亮的方法上有著很大的意義，也是一種新型的創(chuàng)新。用這種方法設(shè)計的多彩電燈在產(chǎn)品設(shè)計上，將單一的產(chǎn)品多功能化，能夠充分利用產(chǎn)品的使用價值，把相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行有效整合，使得功能更加多元化而起到能源的最低消費。

1.2 本論文的研究方法

本論文將利用蠟燭和光電轉(zhuǎn)換裝置、充電裝置、多彩電燈，進(jìn)行原理分析、實際測試、結(jié)果記錄、現(xiàn)象數(shù)據(jù)分析和對比，來驗證最后的測試結(jié)果和測試現(xiàn)象。并根據(jù)原理和實驗現(xiàn)象，來對可以點亮的新型電燈進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1.3 本論文的主要內(nèi)容

本論文的主要內(nèi)容包括：①對于蠟燭燃燒條件和材料的研究和分析 ②光電轉(zhuǎn)換裝置的原理分析研究 ③光電電路的研究和搭建 ④搭建的實驗測試和數(shù)據(jù)記錄 ⑤對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究 ⑥根據(jù)分析對新型電燈的電路結(jié)構(gòu)和電路模型就行優(yōu)化或者改進(jìn)。

1.4 本論文的主要目標(biāo)

①.研究找尋新型蠟燭的主要成分，提高蠟燭燃燒時產(chǎn)生的光能強(qiáng)度及燃燒時間。②.制造光能轉(zhuǎn)化電能裝置。③.分析光能聚集的方法，控制電能的強(qiáng)弱來調(diào)控多彩電燈的亮度。④.利用新型蠟燭點亮的多彩電燈的造型美觀程度和合理性，提高它在生活中的實用性和受歡迎程度。

1.5 本論文的項目進(jìn)度安排

第一階段：查閱關(guān)于提高蠟燭燃燒效率和光電轉(zhuǎn)化裝置的相關(guān)電子文獻(xiàn)里書籍，記錄并分析。第二階段：思考可以使蠟燭燃燒時光度更強(qiáng)的新型材料，設(shè)計新型蠟燭。第三階段：設(shè)置光電轉(zhuǎn)化裝置。第四階段：搭建實驗設(shè)備并進(jìn)行相關(guān)實驗，記錄、分析和總結(jié)。第五階段：整理實驗和結(jié)果，對項目進(jìn)行總結(jié)，撰寫論文。

2. 研究和分析

2.1 對于蠟燭材料的研究

2.1.1蠟燭燃燒成分研究

市場上面最常見的白燭和紅燭里面的有效成分都是石蠟，石蠟是從開采出來石油里面的含蠟餾分經(jīng)冷榨或溶劑脫蠟制作而成的，是由幾種高級烷烴組合而成的混合物，主要最主要的成分分別為：正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28H58），這些高級烷烴的混合物里面，碳元素的有效含量約為85%左右，氫元素的有效含量約為14%左右。普通白燭和紅燭燃燒時，它的火焰中外焰溫度為最高，一般都在500度左右，火焰的明亮程度和火焰外焰溫度受到多種因素影響，可燃物中的碳含量是其中最主要的因素之一。當(dāng)可燃物中碳含量越大時，燃燒便會越充分，產(chǎn)生的亮度也就越高。針對蠟燭的成分，需要研究一種新型的添加劑，使它燃燒時發(fā)出的光更強(qiáng)，收集到的光能更多。

一般的燈芯是由棉線凝固燭油后制成的，在包裝后或者存放時間過久后，燈芯與燭體接觸的根部往往會被折彎，所以使用時會造成蠟燭融化不均勻，也會使蠟燭的光度邊暗，所以我們可以采用一種燈芯不易傾斜的蠟燭來進(jìn)行燃燒，這樣也減少了光能的損耗，有利于更好地集中光源。

2.1.2蠟燭燃燒提升效率研究

蠟燭燃燒過程受到當(dāng)時環(huán)境中的氧氣含量、空氣濕度、環(huán)境風(fēng)速等因素影響，效率會有所不同。

根據(jù)理論研究和資料查閱可以得知，蠟燭燃燒時，當(dāng)氧氣含量低于5%-6%時就會熄滅，因而需要蠟燭充分高效的燃燒發(fā)熱，就要將蠟燭放置于寬敞或者空曠環(huán)境處，不可至于空氣不流通的地方，以免蠟燭燃燒不充分或者熄滅。蠟燭燃燒時，要保證空氣盡量的干燥，空氣中的水分會使得蠟燭燃燒不充分或者熄滅。環(huán)境風(fēng)速是對于蠟燭燃燒最大的問題，當(dāng)風(fēng)速較大時，蠟燭可能會直接熄滅。即使在微風(fēng)狀態(tài)下，蠟燭的火苗也會隨著風(fēng)搖擺，將會給蠟燭燃燒發(fā)電造成極大的影響，因而決定去利用光伏板的站立和擺放方式，在發(fā)電的同時，將蠟燭保護(hù)住，防止受到環(huán)境風(fēng)的影響。

2.2 對于光電轉(zhuǎn)化裝置的研究

2.2.1光電轉(zhuǎn)化裝置的原理分析

光能轉(zhuǎn)化成電能的過程和方式主要是通過以下兩種途徑去實現(xiàn)的：第一種方式是目前最常見的一種，就是以硅元素為主要材料的固體裝置，另外一種方式則是使用光敏染料分子來對光子的能量進(jìn)行捕獲。目前已使用的光能和電能轉(zhuǎn)換材料中以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。太陽能發(fā)電板的原理就是利用半導(dǎo)體的光電特性或者光化學(xué)效應(yīng)來將光能轉(zhuǎn)換為電能。使用單晶硅襯或多晶硅材料、半導(dǎo)體材料、非晶硅薄膜組成的薄膜式太陽能電池，是目前光電轉(zhuǎn)換裝置中的主流，我們利用這些材料來制造光電板，使光能轉(zhuǎn)化為電能。而已光化學(xué)效應(yīng)模式工作的濕式太陽能電池，目前才處于開始萌芽階段。

2.2.2光電轉(zhuǎn)化裝置位置和結(jié)構(gòu)分析

光電板的位置和距離對于整個多彩電燈具有最重要的意義。我們利用蠟燭燃燒時產(chǎn)生的光，在安全范圍內(nèi)，盡可能的去靠近光電板，光電板選擇效率比較高的材料制成的，從而提高整體發(fā)電和亮燈的效果。根據(jù)理論去研究和分析，目前按照計劃和實際需求選擇使用三塊小型的光電池，將光電池擺放成如下圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的好處是，在盡可能使用光伏板圍住蠟燭的前提下，能夠保護(hù)蠟燭不被環(huán)境的風(fēng)吹滅，同時也留有足夠的寬度確保蠟燭有足夠得燃燒氧氣。

2.2.3光電轉(zhuǎn)化電路的研究和設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換電路，由蠟燭、光伏板、多彩電燈組成。其中蠟燭經(jīng)過燃燒，給光伏發(fā)電板進(jìn)行發(fā)電，光伏發(fā)電板在發(fā)電時將點亮后面連接的多彩電燈。多彩電燈點亮以后，燈光將會通過空氣再反饋給前面的光伏發(fā)電板，從而將光能轉(zhuǎn)化電路的效率和利用率提升到最高。整體光能轉(zhuǎn)化成電能的電路框架如下圖2所示：

2.2.3光電轉(zhuǎn)化電路的研究和設(shè)計

光電轉(zhuǎn)化電路的核心是需要高質(zhì)量、高效率的光伏板。根據(jù)查閱資料和相關(guān)網(wǎng)站查詢，根據(jù)性能和性價比以及目前技術(shù)發(fā)展來說，選擇了效率更加高和高性能的多晶太陽能滴膠板，來進(jìn)行本次的實驗驗證和測試行動。測試使用到的元器件為：蠟燭、光伏發(fā)電板、多彩電燈以及需要使用到的部分控制元器件。

因為考慮到光伏發(fā)電板電壓的不穩(wěn)定性以及帶載能力的緣故，測試結(jié)束后，還需考慮是否在整體系統(tǒng)里面加上一個鋰電池，用來接收光伏電池板的充電量。這樣做的好處主要是有以下三點：第一，當(dāng)鋰電池接入整套系統(tǒng)的話，整體的電壓和帶載能力會變得很穩(wěn)定可靠。即使光伏發(fā)電板電壓有波動，也會被鋰電池給穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，從而使得整個多彩電燈的電路結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;第二，當(dāng)接入鋰電池的話，光伏發(fā)電板如果此時發(fā)的電量比多彩電燈用的電量要多的話，除了提供給多彩電燈使用，多余的電還可以儲存進(jìn)入鋰電池，增加續(xù)航時間;第三，

當(dāng)整體系統(tǒng)有鋰電池加入時，當(dāng)使用者的蠟燭使用完了或者出門忘記攜帶足夠蠟燭時，此時多彩電燈還可以正常使用一段時間，增加使用者的使用感受和使用樂趣。會很大程度上增加它在使用者心里面的受歡迎程度，也能提高設(shè)計者自己的知識和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。

可以點亮的新型多彩電燈的具體電路圖如下圖3所示：其中控制LED燈的部分電路圖如下所示，其中QX7136是用來控制和驅(qū)動LED的專用芯片。它的工作輸入電壓最低值是2.7V電壓，輸入電壓最高值是8V電壓，通過芯片接入的電阻R1，用來調(diào)節(jié)恒流輸出。為了達(dá)到所希望的可以自主調(diào)節(jié)LED燈亮度需求，在輸出電路里面加入三極管Q1，規(guī)格為SS8050，通過調(diào)節(jié)三極管基級的驅(qū)動阻值，來調(diào)節(jié)基級的電流，從而達(dá)到在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)三極管的集電極-發(fā)射極電流的功能，三極管電流的控制將直接影響LED燈上面流過的電流，從而可以去調(diào)節(jié)LED燈珠的亮度。芯片自身具有過電流時斷電保護(hù)功能、過溫度時斷電保護(hù)功能等功能。

開關(guān)JP3是一個四腳三路的滑動開關(guān)，用來控制不同顏色LED導(dǎo)通發(fā)光的，當(dāng)開關(guān)3，4，5被輪流打開時，此時輸出的LED燈，分別會亮不同顏色目前所設(shè)計的電路里面分別點亮黃燈、紅燈和綠燈。通過以上控制和驅(qū)動，從而來實現(xiàn)新型多彩電燈的多種亮燈選擇，通過點燃蠟燭的遠(yuǎn)近距離，光照角度，可以來調(diào)節(jié)LED亮燈的強(qiáng)弱變化。

當(dāng)系統(tǒng)接入鋰電池的時候，光伏發(fā)電板給與鋰電池充電并且點亮LED的電路圖如下圖4所示。其中PT8261是鋰電池充電芯片，它的作用是保護(hù)鋰電池的充電和放電功能，防止鋰電池過壓損壞、欠壓損壞、過流損壞。當(dāng)光伏發(fā)電板正常給鋰電池充電時，N-MOS管Q1和Q2導(dǎo)通，此時鋰電池的狀態(tài)為既可以正常充電也可以正常放電。當(dāng)鋰電池電量滿了的時候，PT8261的3腳輸出低電平信號，此時Q2被關(guān)斷，鋰電池和光伏發(fā)電板之間的充電線路被斷開連接，結(jié)束充電。當(dāng)鋰電池電壓恢復(fù)正常后，Q2才會被重新打開。當(dāng)鋰電池電壓不足，即將欠壓的時候，TT8261的1腳將輸出低電平信號，此時Q1被關(guān)斷，鋰電池對外電路的放電電路被斷開，此時鋰電池只能充電不能放電，等到鋰電池電壓恢復(fù)正常，Q1才會打開，繼續(xù)對外電路放電。PT8261的2腳是用來控制充電電流，確保充電電流的穩(wěn)定和安全，從而保證鋰電池的使用壽命。

2.2.4光電轉(zhuǎn)化裝置發(fā)電的實際測試

測試電路通過原理分析和理論研究，用專業(yè)的畫圖軟件來繪制印刷電路板，計算所需要元器件的型號和數(shù)量。在實際測試過程中根據(jù)實際需求和測試需求，微調(diào)部分元器件的型號、電阻的阻值、電容的容量和不同材質(zhì)的電容。測試過程中享受解決問題的樂趣，掌握新知識的喜悅。

3.測試結(jié)果和預(yù)期效果分析

3.1實驗測試結(jié)果記錄

測試環(huán)境：①25℃通風(fēng)狀況良好的室內(nèi) ②無明顯自然風(fēng)吹動 ③所有測試均在同一環(huán)境，同一條件下測試所得 ④測試數(shù)據(jù)均為本次測試記錄測試儀器和設(shè)備：1W的LED燈珠電路板 無煙蠟燭 18650鋰電池 光伏發(fā)電板（6V 500mA） 萬用表

3.1.1光伏板距離測試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放角度情況下，通過改變光伏發(fā)電板與蠟燭之間的距離，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓和短路電流，數(shù)據(jù)記錄于下面表格1中：

3.1.2光伏板角度測試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離情況下，通過改變光伏發(fā)電板與地面之間的角度，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓值和短路電流值，數(shù)據(jù)記錄于下面表格2中：

3.1.3發(fā)光源數(shù)量測試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離和擺放角度的情況下，通過改變蠟燭燃燒的數(shù)量，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓值和短路電流值，數(shù)據(jù)記錄于下面表格3中：

測試進(jìn)行中，具體的實驗數(shù)據(jù)、測試記錄，以及最后的實驗分析和結(jié)果，等實驗測試結(jié)束后，會最終補(bǔ)充于此處。此處包含實驗環(huán)境記錄，光伏發(fā)電板遠(yuǎn)近距離時電壓值記錄，以及光伏板不同角度時，所能達(dá)到的電壓和電流值。

3.1.4本次實驗結(jié)果預(yù)測

①在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放角度情況下，通過改變光伏發(fā)電板與蠟燭之間的距離，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)蠟燭擺放距離越遠(yuǎn)時，光伏發(fā)電板產(chǎn)生的電壓越低，短路電流越小;

②在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離情況下，通過改變光伏發(fā)電板與地面之間的角度，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)光伏發(fā)電板與蠟燭光亮之間的角度越小時，光

伏發(fā)電板產(chǎn)生的電壓越高，短路電流越大;

③在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離和擺放角度的情況下，通過改變蠟燭燃燒的數(shù)量，來測試此時光伏發(fā)電板發(fā)電時的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)蠟燭的光亮一定時，增加越多的蠟燭，會使得總體亮度成倍增加，光伏發(fā)電板的電壓也會增加，短路電流也會隨之增大。

3.2實驗結(jié)果和預(yù)期效果對比總結(jié)

由實驗結(jié)果來得出的實驗結(jié)論和根據(jù)實驗理論得到的實驗結(jié)論高度一致，實驗符合前期預(yù)期效果。整體實驗結(jié)果表明了前期的理論準(zhǔn)備和實際電路搭建時行之有效而且能夠完整達(dá)到想要的實驗效果。

實驗完成后，會將實驗數(shù)據(jù)和查閱到的原理理論值進(jìn)行比較，來驗證實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。實驗數(shù)據(jù)受到環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速等影響。

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貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 可以點亮的新型多彩電燈 項目編號 S202110666098 項目負(fù)責(zé)人 朱行美